LED照明產(chǎn)品的散熱技術(shù)分析

LED 照明產(chǎn)品的散熱設計非常重要，關(guān)係到產(chǎn)品的品質(zhì)及壽命。透過(guò)熱阻網(wǎng)路可迅速分析散熱能力及需求并尋求散熱對策，由于高功率LED 發(fā)熱密度很大，必須從Chip Level、Package Level、Board Level到System Level 各層級進(jìn)行散熱設計，降低熱阻，才能得到最佳的散熱效果。目前國際上各大LED 晶片及封裝廠(chǎng)商都致力于發(fā)展發(fā)光效率更高的產(chǎn)品，透過(guò)提升光的量子效率等方式提升光電轉換效率，以降低晶片發(fā)熱量，希望能在2012 年前將發(fā)光效率提升至150lm/W ，而發(fā)熱比例降低到25% ，將可使散熱的瓶頸大為降低，也可使被動(dòng)形式的散熱設計更能應用于各種高功率LED 產(chǎn)品。但這畢竟非一蹴可及，仍具有相當的困難度。為了使LED 產(chǎn)品的發(fā)展及應用更為快速，相關(guān)的散熱技術(shù)仍需同步發(fā)展。由于人類(lèi)對于生活品質(zhì)的需求不斷提升，就如同IC 產(chǎn)品對于散熱的需求一直存在，散熱設計在各種高功率LED的產(chǎn)品設計中仍將佔有重要的地位。

節能減排熱潮下 如何提升LED道路照明可靠性

LED道路照明應用在各地政策推動(dòng)下建設的如火如荼，LED作為綠色照明產(chǎn)品應用于路燈照明，也是地方培育以低碳排放為特征的新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)，拉動(dòng)經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的新“引擎”。但由于產(chǎn)品品種多、技術(shù)難度大、各家企業(yè)的技術(shù)水平差異和評價(jià)方式不一等原因，導致部分地區也有不成功的案例，為此中國半導體照明網(wǎng)編輯連線(xiàn)了鑫源盛科技股份有限公司技術(shù)總監管新寧Ph.D.就LED道路照明的可靠性問(wèn)題，作了了解，希望對業(yè)內有所啟迪。

　管新寧先生對失敗案例有自己的看法，他認為：“近年來(lái)在全球環(huán)保潮流之下，LED照明產(chǎn)業(yè)迅速興起，有許多科技公司投入此新興產(chǎn)業(yè)，但由于LED照明信賴(lài)性能標準未能實(shí)時(shí)訂定、妥為規范，導致個(gè)別產(chǎn)品無(wú)法通過(guò)考驗、嚴重光衰收場(chǎng)，主要原因是無(wú)設計理論性研究為檢視支柱，因而造成使用業(yè)主疑慮，也因此推遲產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)機。為此LED照明解決方案供貨商鑫源盛科技(Thermalking)，提供了高性能LED路燈多項組件至燈具系統的各項重要技術(shù)指針規格數據，供業(yè)界參考?！?

　LED芯片與封裝組件發(fā)光效率關(guān)鍵技術(shù)指針部分，首要之LED芯片與封裝組件關(guān)鍵技術(shù)，歐美、日廠(chǎng)商均已量產(chǎn)突破發(fā)光效率100~120lm/W以上，超越傳統最高效率的HID光源(發(fā)光效率90~110lm/W)，解決目前LED燈具總體光效不足≧45lm/W問(wèn)題，滿(mǎn)足道路照明壽命長(cháng)、光衰低，符合國際標準平均照度，達25~40Lux規格與節能30~60%需求。

　LED發(fā)光效率、溫升與壽命規格關(guān)鍵技術(shù)指針部分，檢視CREE或Osram LED等業(yè)者所公布的數據，其芯片PN結工作溫度Tj＜75~85℃，方能確保高于85%出光效率下工作壽命達5萬(wàn)小時(shí)，且芯片PN結至本身導熱片(Tjs)溫升為ΔT＝6~15℃之間，另外LED光效率與工作溫度成反比性能特性，每升高10℃，就會(huì )導致光衰3~6%并且壽命減半的嚴重后果，與一般宣傳LED可工作于100~125℃壽命可達10萬(wàn)小時(shí)以上的論點(diǎn),卻忽略在此條件下已造成光效率折損25~30%的觀(guān)念相去甚遠。

　LED路燈系統熱傳散熱環(huán)境溫度關(guān)鍵技術(shù)指針部分，此類(lèi)燈具系統工作溫度不得高于85-10=75℃；臺灣LED道路燈具規范CNS15233規定，耐久性試驗環(huán)境溫度為50℃，因此路燈散熱系統溫升必須小于ΔT≦25℃。以鑫源盛科技150W LED路燈為例，熱傳散熱系統溫升測試低達ΔT≦13℃，計算其熱阻值Tr=0.08℃/W，而多數業(yè)界廠(chǎng)商設計系統溫升測試ΔT≒30~40℃，計算其熱阻值Tr=0.2~0.26℃/W；以相同條件下鑫源盛科技的產(chǎn)品較其它廠(chǎng)商產(chǎn)品壽命將增長(cháng)2倍且亮度增加15%以上。另外以鑫源盛科技350W LED燈具測試，其散熱系統溫升仍能達成ΔT＝15℃，熱阻值Tr＝0.04℃/W。

　LED路燈系統熱傳散熱關(guān)鍵技術(shù)部份，電子機器設備熱傳、散熱方法有適用于小功率自然散熱方法，目前如MR16/PAR30由1~70W產(chǎn)品，系統溫升已高達30~40℃。若超過(guò)100W仍使用自然散熱方法，就如同目前市面上大部分產(chǎn)品，必須使用大量鋁合金材料增加導熱量和超大的熱交換面積，體積重量動(dòng)輒2、30Kg，非但增加燈具成本更增添了燈桿燈具安全懸掛的風(fēng)險。自然散熱的定律為使用越重越大面積的金屬材料來(lái)降低溫度，效果越好，但僅鋁合金材料成本即增加60~200元新臺幣/公斤，若干廠(chǎng)商號稱(chēng)使用熱管或回路熱管即可達到散熱效果，這僅僅解決了熱傳導，不論是熱管或者是回路熱管都只有熱傳導的功能并沒(méi)有散熱的功能，若要達到良好散熱必須使用相對瓦數的有效散熱面積也就是必須增加大面積的金屬材料來(lái)做熱交換；否則必須改用工業(yè)級高信賴(lài)性冷氣機空調、計算機CPU等高階大功率產(chǎn)品所使用之主動(dòng)強制散熱方法，高效率、軍規的小風(fēng)扇壽命保證7萬(wàn)小時(shí)，并具備IP65防水防塵等級，再加上熱導管與散熱鋁鰭片等適當的原件與合理的機構設計，經(jīng)過(guò)測試燈具系統溫升可低達ΔT≦12~15℃，與自然散熱方法比較降溫達25℃，壽命將增加2倍且光效率亮度增加10~15%以上。

　LED路燈系統可靠性、耐久性 環(huán)境適應性能測試指標部分，一般LED燈具產(chǎn)品設計均未考慮到落塵防護系統，室外道路用燈具必需完全防止砂塵暴、膠質(zhì)懸浮物、重力落塵堆積于散熱結構，以避免導致LED過(guò)熱燒毀之問(wèn)題。若散熱結構朝向天面導致落塵堆積，熱累積無(wú)法發(fā)散，將可能產(chǎn)生LED光衰及燒毀狀況。要解決以上問(wèn)題，可設計采用散熱結構朝向地面來(lái)因應。其它抗鹽霧測試等等，鑫源盛科技現有產(chǎn)品經(jīng)戶(hù)外測試時(shí)間2萬(wàn)小時(shí)后，光衰＜10%、狀況良好。主干道路照明光學(xué)設計亦可達到世界標準，即10公尺高燈桿必須平均照亮橫幅40公尺的長(cháng)型路面，解決高難度光學(xué)鏡片設計，達到高寬比1:4之要求。另外核心燈芯技術(shù)模塊亦達到了輕巧化，不需依賴(lài)燈殼做為散熱體，因此燈體外型設計可任意變化形狀，達成各城市美觀(guān)特色。

　做為一個(gè)高科技節能照明產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員必須認清，良好的燈具散熱包含熱傳導、均溫性、熱交換等復雜的熱傳學(xué)傳統基礎硬理論為依歸，并非坊間所稱(chēng)LED燈是冷光不發(fā)熱,又有以高貴的奈米科技或航天科技等單一原件或特殊材料尋求解決。終端客戶(hù)霧里看花之際，必須正視LED路燈的性能必須要有科學(xué)的數據、理論做支撐、完善的系統設計方法為方針、良好的制程為基礎，最后在以第三公正單位的檢測報告為依據，這樣才不會(huì )一再發(fā)生光衰退貨阻礙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的惡性循環(huán)，臺灣鑫源盛科技愿意與全世界同業(yè)共同分享多年來(lái)的研究成果以及專(zhuān)利技術(shù)，其中包含了強制散熱、向下散熱、液態(tài)散熱等發(fā)明專(zhuān)利與數十項新型專(zhuān)利，共同攜手照亮全世界。